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Stockage à chaleur latente liquide/solide Master Energie Solaire II - Pr Xavier PY.

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1 Stockage à chaleur latente liquide/solide Master Energie Solaire II - Pr Xavier PY

2 Chaleur latente liquide/solide chaleur sensible domaine liquide/solide L S chaleur latente T (°C) t (s) Variance W = 1 Règle des phases : w = C – r + 2 – C nombre de constituants, r nombre de réaction, nombre de phase W = 2

3 t (s) T (°C) fusion solidification Cp solide Cp liquide Fin fusion T fusion T solidification surfusion Q W/g Effet thermique retardé par la conduction t T Chaleur latente liquide/solide

4 Comparaison chaleurs sensible/latente En masse relative En volume relatif Béton (15) (Cp 15K) Béton (11) (Cp 15K) PCM inorganiques (1) PCM organiques (2.5) Eau (6) (Cp 15K) Eau (4) (Cp 15K) PCM organiques (1.25) PCM inorganiques (1) Pour une même quantité de chaleur stockée Admettant un T de 15 K en chaleur sensible

5 Stockage à chaleur latente liquide/solide (1)Forte capacité de stockage (2)Température auto-régulée (3)Système modulaire (4)Grande variété de T de travail Avantages principaux

6 Familles de matériaux de stockage Nota bene : on note PCM pour « Phase Change Material » mais on trouve aussi MCP plus ambiguë de par « m Cp » !!! (1)Solutions aqueuses de sels et eaubasses T, pas cher surfusion, corrosion, (2) PCM organiques (chimie du carbone)+ chers, inflammables, surfusion (polyols) alcanes, paraffines, polyols, polymères,…stables, inertes, faciles (3) PCM inorganiques (sans carbone)fortes capacités, moyennes à hautes T, sels : chlorures, sulfates, nitrates,…nombreux, prix, disponibilité et mélanges binaires, ternaires,…corrosion, toxicité, (4) Métaux lourds, chers, capacité conductivité, hautes T structure moléculaire du pentaerythritol

7 PCM type alcanes et paraffines

8

9 PCM pour les applications habitat

10

11 Matériaux L/S – moyennes à hautes T

12 Matériaux L/S – hautes températures

13 Conductivités thermiques

14 Matériaux L/S – basses aux hautes T L MJ/m T (°C) eau paraffines polyols 1200 NaCl 1063 Na2CO MgCl KNO3 568 NaNO3 393 KOH 306

15 Variabilité des prix

16 LIMITATIONS des PCM (1)Le phénomène de surfusion (2)La conductivité thermique (3)La corrosion (4)La stabilité thermique et chimique (5)La toxicité (6)Linflammabilité (7)Le prix (8)La disponibilité

17 thermogramme de changement détat du DUCITOL Au calorimètre C80 (PROMES) Phénomène de surfusion Surfusion 80 °C Retard à la formation du premier cristal

18 Conséquences sur le stockage Sur une même grille Premier cristal : loi probabiliste … !

19 PCMV = 0,3 LV ~ mm 3 V ~ m 3 Eau8 °C20 °C36 °C Paraffines-1 °C15 °C Organiques-20 °C> 100°C métaux-1 – 2 °C> 200 °C Surfusion : effet du volume

20

21 Inhibition de la surfusion (1) Par agent nucléant - approche empirique - isomorphisme (2) Par trempe thermique (3) Par vibrations Exemple sur leau : 8°C sans agent nucléant 2-3°C avec agent nucléant adéquat températures de fusion et solidification du Dulcitol sans et avec CaSO4 (5%)

22 Très faible conductivité thermique : 0,2 – 2 W m -1 K -1 Conséquences: puissance de charge faible puissance de déstockage faible puissances décroissantes et asymétriques R ex liquide RpRp R PCM solide Limitation en conductivité thermique

23 Très faible conductivité thermique Conséquences: puissance de charge faible puissance de déstockage faible puissances décroissantes et asymétriques R ex r r+dr r in r ext liquide solide RpRp R PCM Déstockage : principales limitations

24 Eléments de calcul de dimensionnement Géométrie cylindrique (en coupe, longueur L) Bilan thermique P th = (T f – T ext ) / R totale R totale = R ext + R paroie + R PCM R ext = 1/(h ext 2 r ext L) R paroie = e paroie / paroie R PCM = ln(r int /r)/(2 PCM L) P th = PCM H latente 2 r L dr/dt R ex r r+dr r in r ext liquide solide RpRp R PCM T ext TfTf e paroie PCM H latente 2 r L dr = (T f – T ext ) dt 1/(h ext 2 r ext L) + e paroie / paroie + ln(r int /r)/(2 PCM L)

25 Eléments de calcul de dimensionnement Bilan thermique sur un nodule : Bilan thermique sur une couche de n nodules :

26 (1)Créer de linterface Nodules Echangeurs (2) Améliorer la conductivité effective Ailettes Mousses métalliques Composites Gestion de la limitation en conductivité

27 (2) Améliorer la conductivité effective T > T f Py X, Olives R and Mauran S. Paraffin-porous graphite matrix composite as a high and constant power thermal storage material. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, 44,

28 Taux de charge

29 Conductivités thermiques o = 0.24 W m -1 K -1 T insulation T referencesample

30 Résistance thermique due au PCM T= 10 K, h ext = 200 W×m -2 ×K -1

31 Puissance linéique T= 10 K, h ext = 200 W×m -2 ×K -1

32 Optimisation de la quantité de graphite

33 SaltsTm (°C)Compatibility ZnCl KCl778+ CaCl NaCl800+ NaNO KNO NaOH317- KOH360+ SaltsTm (°C)Compatibility CaCl 2 / 2H 2 O175+ NaCl / ZnCl KCl / ZnCl NaNO 3 / KNO KOH / NaOH187- Extension à plus hautes T: 220 °C Programme européen DISTOR

34 Transfert à léchelle industrielle Société SGL production de GNE/paraffine et G/sels

35 Déploiement dailettes métalliques Cher, corrosion, lourd Autres techniques

36 Déploiement de garnissages métalliques

37 Déploiement de fibres de carbone

38 lencapsulation macroscopique Création dinterface

39 Lencapsulation micronique : de 10 à 50 m Création dinterface Source : Hong K., Park S., Mat Chem and Phys.(58) , Parfum encapsulé par la melamine Migrin oil = 53%wt. Microcapsules sur fibre coton avant et après 15 cycles de lavage/séchage.

40 Années 1980 : micoencapsulation développée par la NASA pour les missions dans lespace. mais techno finalement pas retenue… licence concédée à Outlass pour thermorégulation textile. Historique de la microencapsulation

41 Mode délaboration (BASF)

42 Source : Outlast Micronodules dans un tissu

43 Source : Outlast Micronodules dans des fibres textiles

44 Textiles : cosmétiques, adsorbants (militaire, chasse), thermorégulation, antimicrobiale antimicrobien, photochromic, thermochromatic, ignifugation, contrefaçon, insecticide (mites, moustiques) et acaricide, Alimentaire : protection et gestion des arômes, liaison chaude Médical : pansements, aromathérapie, médicaments retard (cancer) Agricole : engrais, Procédés : transfert thermique en lit fluidisé fluides caloporteurs type slurry Autre : Encre électronique « eInk » (MIT Boston) protection électronique, dépollution des sols, Domaines dapplication

45 Thermoprotection des plongeurs Nuckols M.L. Ocean Eng. (26) , 1999.

46 Outlast Technologies Inc. (Colorado USA) Frisby Technologies(North Carolina USA) BASF (Ludwigshafen, Germany) Prix : échantillon 25 $/lb Fournisseurs

47 CRISTOPIA leader mondial en stockage de froid à chaleur latente L/S Le stockage thermique L/S industriellement de - 33°C à + 27 °C de 2 à 500 m 3

48 Cuve VerticaleCuve Horizontale Cuve enterrée De 2 à 500 m 3 Cest le volume qui compte non sa position Mais toujours alimentation verticale Configurations dimplantation La cuve de stockage

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50 Fonctionnement : demande en froid Process Complet : Besoin frigorifique journalier :

51 Stockage Nocturne Fonctionnement : déphasage complet Découplage complet production/consommation, Utilisateur sur le stock, Utilisation des tarifs nuit, Moins de bruit le jour, Moins de surdimensionnement machine, Réduction investissement, Réduction coûts exploitation, Réduction coûts maintenance.

52 Production Directe Bypass du stock Fonctionnement : bypass du stock Bien pratique en cas de panne, En cas de maintenance, de sous-capacité, …

53 Déstockage seul Pas de nuisance Maintenance groupe Tarif E nuit

54 Production Directe + Déstockage Combinaison mixte Permet de sous-dimensionner la machine et de la faire tourner en régime nominal

55 Production Directe + Stockage Combinaison mixte

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